驱动开发
file_operations、file和inode联系
在linux中inode结构用于表示文件，而file结构则表示打开的文件的描述，因为对于单个文件而言可能会有许多个表示打开的文件的描述符，因而就可能会的对应有多个file结构，但是都指向单个inode结构。
file_operations
在系统内部，I/O设备的存取操作通过特定的的入口来进行，而这组特定的入口由驱动程序来提供的。通常这组设备驱动的接口是由结构体file_operations向系统说明的，它定义在include/linux/fs.h中。
file_operations的数据结构如下：(2.6内核）
struct file_operations{
struct module *owner;//拥有该模块的指针，一般THIS_MODULE
loff_t (*llseek) (struct file*, loff_t,int);//修改文件当前的读写位置
ssize_t (*read)(struct file *，char *, size_t, loff_t *); //从设备同步读取数据
ssize_t (*write)(struct file *,const char *, size_t, loff_t *); //向设备发送数据
int (*readdir) (struct file *, void *, filldir_t); //仅用于读取目录，对于设备文件，该字段为NULL
unsigned int (*poll)(struct file *, struct poll_table_struct *); //轮询函数，判断目前是否可以进行非阻塞的读取或写入
int (*ioctl) (struct inode *, struct file *, unsigned int, unsigned long); //执行设备IO控制命令
int (*mmap) (sturct file *, struct vm_area_struct*);//用于请求将设备内存映射到进程地址空间
int (*open) (struct inode *, struct file *);//打开
int (*flush)(struct file *);
int (*release)(struct inode *, struct file *);//关闭
int (*synch)(struct file *, struct dentry *, int datasync);//刷新待处理的数据
int (*fasync)(int, struct file *, int);//通知设备fasync标志发生变化
int (*lock)(struct file *, int, struct file_lock);
ssize_t (*readv) (struct file *, const struct iovec *, unsigned long*, loff_t * );
sszie_t(*writev)(struct file *, const struct iovec *, unsigned long *, loff_t *);//分散聚集型的读写
ssize_t (*sengpage)(struct file *, struct page *, int, size_t,loff_t *, int);
unsigned long (*get_unmaapped_area)(struct file *,unsigned long, unsigned long, unsigned long, unsigned long );
long (*fcntl)(int fd, unsigned int cmd,unsigned arg, struct file *filp);
};
file
struct file提供关于被打开的文件信息，主要供与文件系统对应的设备文件驱动程序使用。结构如下：
struct file{
mode_t f_mode;//表示文件是否可读或可写，FMODE_READ或FMODE_WRITE
dev_ t f_rdev ;// 用于/dev/tty
off_t f_ops;//当前文件位移
unsigned short f_flags；//文件标志，O_RDONLY,O_NONBLOCK和O_SYNC
unsigned short f_count；//打开的文件数目
unsigned short f_reada；
struct inode *f_inode；//指向inode的结构指针
struct file_operations *f_op；//文件索引指针
}
struct device_struct
在系统启动过程中的块设备和字符设备管理表的定义在文件fs/device.h中
struct device_struct
{
const char *name；
struct file_operations *fops；
}
static struct device_struct chrdevs[MAX_CHRDEV];
static struct device_struct blkdevs[MAX_BLKDEV];
其实块设备表和字符设备表使用了相同的数据结构。这些设备表也称作设备开关表，不同的是他们定义了一组函数指针对设 备进行管理。而这里系统用文件操作（file_operations）代替了那组开关。
文件操作是文件系统与驱动程序之间的接口，系统特殊文件在建立的时 候并没有把两者对应起来，只是把设备的默认文件结构和i节点结构赋给设备文件，而真正的对应定义在系统启动后，当设备被打开时才进行的。
inode
在linux中inode结构用于表示文件，file结构表示打开的文件的描述，因为对于单个文件而言可能会有许多个表示打开的文件的描述符，因而就可能会的对应有多个file结构，但是都指向单个inode结构。
该结构里面包含了很多信息,但是,驱动开发者只关心里面两个重要的域:
dev_t i_rdev; //含有真正的设备号
struct cdev *i_cdev; //struct cdev是内核内部表示字符设备的结构.
三者之间关系
struct file结构体中包含有struct file_operations结构体，struct file_operations是struct file的一个域；
我们在使用系统调用open()打开一个设备节点struct inode时，我们会得到一个文件struct file, 同时返回一个文件描述符，该文件描述符是一个整数，我们称之为句柄。
通过访问句柄我们能够访问设备文件struct file,描述符是一个有着特殊含义的整数，特定位都有一定的意义或属性。
IOCTL用法
用户空间
int ioctl(int fd,unsigned long cmd,...);
/*
fd:文件描述符
cmd:控制命令
...:可选参数:插入*argp，具体内容依赖于cmd
*/
系统空间
int (*ioctl) (struct inode *inode,struct file *filp,unsigned int cmd,unsigned long arg);
/*
inode与filp两个指针对应于应用程序传递的文件描述符fd，这和传递open方法的参数一样。
cmd 由用户空间直接不经修改的传递给驱动程序
arg 可选。
*/
定义方法
- 定义命令：
内核提供了一些宏来帮助定义命令：
//nr为序号，datatype为数据类型,如int
_IO(type, nr ) //没有参数的命令
_IOR(type, nr, datatype) //从驱动中读数据
_IOW(type, nr, datatype) //写数据到驱动
_IOWR(type,nr, datatype) //双向传送
定义命令例子:
#define MEM_IOC_MAGIC 'm' //定义类型
#define MEM_IOCSET _IOW(MEM_IOC_MAGIC,0,int)
#define MEM_IOCGQSET _IOR(MEM_IOC_MAGIC, 1, int)
- 实现命令：
定义好了命令，下一步就是要实现ioctl函数了，ioctl的实现包括三个技术环节：
- 返回值；
ioctl函数的实现是根据命令执行的一个switch语句，但是，当命令不能匹配任何一个设备所支持的命令时，通常返回-EINVAL(非法参数)； - 参数使用；
用户使用int ioctl(int fd,unsinged long cmd,…)时，…就是要传递的参数；
再通过int (*ioctl)(struct inode *inode, struct file *filp, unsigned int cmd, unsigned long arg)中的arg传递；
如果arg是一个整数，可以直接使用；
如果是指针，我们必须确保这个用户地址是有效的，因此，使用之前需要进行正确检查。
内部有检查的，不需要检测的：
copy_from_user
copy_to_user
get_user
put_user
需要检测的：
__get_user
__put_user
检测函数access_ok（）:
static inline int access_ok(int type, const void *addr, unsigned long size)
/*
type :是VERIFY_READ 或者VERIFY_WRITE用来表明是读用户内存还是写用户内存;
addr:是要操作的用户内存地址;
size:是操作的长度。如果ioctl需要从用户空间读一个整数，那么size参数就等于sizeof(int)；
返回值：Access_ok返回一个布尔值：1，是成功（存取没问题）；0，是失败，ioctl返回-EFAULT；
*/
- 命令操作；
switch(cmd)
{
case:
... ...
}
实例分析
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
/* 定义幻数 */
#define MEMDEV_IOC_MAGIC 'k'
/* 定义命令 */
#define MEMDEV_IOCPRINT _IO(MEMDEV_IOC_MAGIC, 1)
#define MEMDEV_IOCGETDATA _IOR(MEMDEV_IOC_MAGIC, 2, int)
#define MEMDEV_IOCSETDATA _IOW(MEMDEV_IOC_MAGIC, 3, int)
#define MEMDEV_IOC_MAXNR 3
#endif /* _MEMDEV_H_ */
static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*IO操作*/
int memdev_ioctl(struct inode *inode, struct file *filp,
unsigned int cmd, unsigned long arg)
{
int err = 0;
int ret = 0;
int ioarg = 0;
/* 检测命令的有效性 */
if (_IOC_TYPE(cmd) != MEMDEV_IOC_MAGIC)
return -EINVAL;
if (_IOC_NR(cmd) > MEMDEV_IOC_MAXNR)
return -EINVAL;
/* 根据命令类型，检测参数空间是否可以访问 */
if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_READ)
err = !access_ok(VERIFY_WRITE, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
else if (_IOC_DIR(cmd) & _IOC_WRITE)
err = !access_ok(VERIFY_READ, (void *)arg, _IOC_SIZE(cmd));
if (err)
return -EFAULT;
/* 根据命令，执行相应的操作 */
switch(cmd) {
/* 打印当前设备信息 */
case MEMDEV_IOCPRINT:
printk("<--- CMD MEMDEV_IOCPRINT Done--->\n\n");
break;
/* 获取参数 */
case MEMDEV_IOCGETDATA:
ioarg = 1101;
ret = __put_user(ioarg, (int *)arg);
break;
/* 设置参数 */
case MEMDEV_IOCSETDATA:
ret = __get_user(ioarg, (int *)arg);
printk("<--- In Kernel MEMDEV_IOCSETDATA ioarg = %d --->\n\n",ioarg);
break;
default:
return -EINVAL;
}
return ret;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.ioctl = memdev_ioctl,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
<应用代码>
#include
#include
#include
#include
#include "memdev.h" /* 包含命令定义 */
int main()
{
int fd = 0;
int cmd;
int arg = 0;
char Buf[4096];
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
if (fd < 0)
{
printf("Open Dev Mem0 Error!\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCPRINT */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCPRINT --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCPRINT;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCPRINT fail\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCSETDATA */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCSETDATA --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCSETDATA;
arg = 2007;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCSETDATA fail\n");
return -1;
}
/* 调用命令MEMDEV_IOCGETDATA */
printf("<--- Call MEMDEV_IOCGETDATA --->\n");
cmd = MEMDEV_IOCGETDATA;
if (ioctl(fd, cmd, &arg) < 0)
{
printf("Call cmd MEMDEV_IOCGETDATA fail\n");
return -1;
}
printf("<--- In User Space MEMDEV_IOCGETDATA Get Data is %d --->\n\n",arg);
close(fd);
return 0;
}
MMAP用法
用户空间
void *mmap(void *addr, size_t len, int prot, int flags, int fd, off_t offset);
功能：负责把文件内容映射到进程的虚拟地址空间，通过对这段内存的读取和修改来实现对文件的读取和修改，而不需要再调用read和write；
参数：addr：映射的起始地址，设为NULL由系统指定；
len：映射到内存的文件长度；
prot：期望的内存保护标志，不能与文件的打开模式冲突。PROT_EXEC,PROT_READ,PROT_WRITE等；
flags：指定映射对象的类型，映射选项和映射页是否可以共享。MAP_SHARED，MAP_PRIVATE等；
fd：由open返回的文件描述符，代表要映射的文件；
offset：开始映射的文件的偏移。
返回值：成功执行时，mmap()返回被映射区的指针。失败时，mmap()返回MAP_FAILED。
解除映射：
int munmap(void *start, size_t length);
系统空间
static int mmap(struct file *file, struct vm_area_struct *vma)；
实例分析
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
static int mem_major = MEMDEV_MAJOR;
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
static int memdev_mmap(struct file*filp, struct vm_area_struct *vma)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
vma->vm_flags |= VM_IO;
vma->vm_flags |= VM_RESERVED;
if (remap_pfn_range(vma,vma->vm_start,virt_to_phys(dev->data)>>PAGE_SHIFT, vma->vm_end - vma->vm_start, vma->vm_page_prot))
return -EAGAIN;
return 0;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.mmap = memdev_mmap,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
<应用代码>
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd;
char *start;
//char buf[100];
char *buf;
/*打开文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
buf = (char *)malloc(100);
memset(buf, 0, 100);
start=mmap(NULL,100,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,0);
/* 读出数据 */
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 1 = %s\n",buf);
/* 写入数据 */
strcpy(start,"Buf Is Not Null!");
memset(buf, 0, 100);
strcpy(buf,start);
sleep (1);
printf("buf 2 = %s\n",buf);
munmap(start,100); /*解除映射*/
free(buf);
close(fd);
return 0;
}
并发控制
原子变量操作
原子变量操作（分为原子整型操作和原子位操作）就是绝不会在执行完毕前被任何其他任务和时间打断，不会执行一半，又去执行其他代码。原子操作需要硬件的支持，因此是架构相关的，其API和原子类型的定义都在include/asm/atomic.h中，使用汇编语言实现。
在linux中，原子变量的定义如下：
typedef struct {
volatile int counter;
} atomic_t;
关键字volatile用来暗示GCC不要对该类型做数据优化，所以对这个变量counte的访问都是基于内存的，不要将其缓冲到寄存器中，每次使用该变量都要重新去获取最新值
存储到寄存器中，可能导致内存中的数据已经改变，而寄存其中的数据没有改变。
- 原子整型操作：
定义atomic_t变量：
#define ATOMIC_INIT(i) ( (atomic_t) { (i) } )
atomic_t v = ATOMIC_INIT(0); //定义原子变量v并初始化为0
设置原子变量的值：
#define atomic_set(v,i) ((v)->counter = (i))
void atomic_set(atomic_t *v, int i);//设置原子变量的值为i
获取原子变量的值：
#define atomic_read(v) ((v)->counter + 0)
atomic_read(atomic_t *v);//返回原子变量的值
原子变量加/减：
static __inline__ void atomic_add(int i, atomic_t * v)； //原子变量增加i
static __inline__ void atomic_sub(int i, atomic_t * v)； //原子变量减少i
原子变量自增/自减：
#define atomic_inc(v) atomic_add(1, v)； //原子变量加1
#define atomic_dec(v) atomic_sub(1, v); //原子变量减1
操作并测试：
//这些操作对原子变量执行自增,自减,减操作后测试是否为0,是返回true,否则返回false
#define atomic_inc_and_test(v) (atomic_add_return(1, (v)) == 0)
static inline int atomic_add_return(int i, atomic_t *v)
- 原子位操作（根据数据的每一位单独进行操作）:
static inline void set_bit(nr, void *addr); //设置addr地址的第nr位，所谓设置位即将位写为1
static inline void clear_bit(nr,void *addr); //清除addr地址的第nr位，所谓清除位即将位写为0
static inline void change_bit(nr,void *addr);
static inline void test_bit(nr, void *addr);
static inline int test_and_set_bit(nr, void *addr);
static inline int test_and_clear_bit(nr, void *addr);
static inline int test_and_change_bit(nr, void *addr);
原子操作的优点编写简单；缺点是功能太简单，只能做计数操作，保护的东西太少。
自旋锁
自旋锁是专为防止多处理器并发而引入的一种锁，它应用于中断处理等部分。对于单处理器来说，防止中断处理中的并发可简单采用关闭中断的方式，不需要自旋锁。
自旋锁最多只能被一个内核任务持有，如果一个内核任务试图请求一个已被争用(已经被持有)的自旋锁，那么这个任务就会一直进行忙循环——旋转——等待锁重新可用。要是锁未被争用，请求它的内核任务便能立刻得到它并且继续进行。自旋锁可以在任何时刻防止多于一个的内核任务同时进入临界区，因此这种锁可有效地避免多处理器上并发运行的内核任务竞争共享资源。
- 自旋锁的使用：
spinlock_t spin; //定义自旋锁
spin_lock_init(lock); //初始化自旋锁
spin_lock(lock); //成功获得自旋锁立即返回，否则自旋在那里直到该自旋锁的保持者释放
spin_trylock(lock); //成功获得自旋锁立即返回真，否则返回假，而不是像上一个那样"在原地打转"
spin_unlock(lock);//释放自旋锁
使用代码：
spinlock_t lock;
spin_lock_init(&lock);
spin_lock (&lock);
....//临界资源区
spin_unlock(&lock);
- 注意事项：
- 自旋锁是一种忙等待。它是一种适合短时间锁定的轻量级的加锁机制。
- 自旋锁不能递归使用。自旋锁被设计成在不同线程或者函数之间同步。这是因为，如果一个线程在已经持有自旋锁时，其处于忙等待状态，则已经没有机会释放自己持有的锁了。如果这时再调用自身，则自旋锁永远没有执行的机会了。
- 信号量
linux中，提供了两种信号量：一种用于内核程序中，一种用于应用程序中。这里只讲属前者。
信号量和自旋锁的使用方法基本一样。与自旋锁相比，信号量只有当得到信号量的进程或者线程时才能够进入临界区，执行临界代码。信号量和自旋锁的最大区别在于：当一个进程试图去获得一个已经锁定的信号量时，进程不会像自旋锁一样在远处忙等待。
信号量是一种睡眠锁。如果有一个任务试图获得一个已被持有的信号量时，信号量会将其推入等待队列，然后让其睡眠。这时处理器获得自由去执行其它代码。当持有信号量的进程将信号量释放后，在等待队列中的一个任务将被唤醒，从而便可以获得这个信号量。
信号量的实现：
在linux中，信号量的定义如下：
struct semaphore {
spinlock_t lock; //用来对count变量起保护作用。
unsigned int count; // 大于0，资源空闲；等于0，资源忙，但没有进程等待这个保护的资源；小于0，资源不可用，并至少有一个进程等待资源。
struct list_head wait_list; //存放等待队列链表的地址，当前等待资源的所有睡眠进程都会放在这个链表中。
};
信号量的使用：*
- 定义信号量：
struct semaphore sem;
- 初始化信号量 ：
static inline void sema_init(struct semaphore *sem, int val); //设置sem为val
#define init_MUTEX(sem) sema_init(sem, 1) //初始化一个用户互斥的信号量sem设置为1
#define init_MUTEX_LOCKED(sem) sema_init(sem, 0) //初始化一个用户互斥的信号量sem设置为0
定义和初始化可以一步完成：
DECLARE_MUTEX(name); //该宏定义信号量name并初始化1
DECLARE_MUTEX_LOCKED(name); //该宏定义信号量name并初始化0
当信号量用于互斥时（即避免多个进程同是在一个临界区运行），信号量的值应初始化为1。这种信号量在任何给定时刻只能由单个进程或线程拥有。在这种使用模式下，一个信号量有事也称为一个“互斥体（mutex）”,它是互斥（mutual exclusion）的简称。Linux内核中几乎所有的信号量均用于互斥。
** 使用信号量，内核代码必须包含
3. 获取（锁定）信号量：
void down(struct semaphore *sem)；
int down_interruptible(struct semaphore *sem)；
int down_killable(struct semaphore *sem)；
- 释放信号量
void up(struct semaphore *sem); //释放信号量sem，唤醒等待者
完成量
它用于一个执行单元等待另一个执行单元执行完某事；
struct completion {
unsigned int done; //大于0，表示完成量的函数可以立即执行，不要要等待；等于0，将拥有完成量的线程置于等待状态。
wait_queue_head_t wait;
};
使用方法:
- 定义完成量：
struct completion com;
- 初始化：
init_completion(&com); //要是觉得这两步麻烦,就再给你来个宏即定义又初始化DECLARE_COMPLETION(com);
- 等待完成量：
void __sched wait_for_completion(struct completion *x); //等待一个completion被唤醒
int __sched wait_for_completion_interruptible(struct completion *x)；//可中断的wait_for_completion
unsigned long __sched wait_for_completion_timeout(struct completion *x, unsigned long timeout)；//带超时处理的wait_for_completion
- 唤醒完成量
void complete(struct completion *x); //只唤醒一个等待的进程或线程。
void complete_all(struct completion *x); //唤醒所有等待这个完成量的进程或者线程。
后记：除了上述几种广泛使用的的并发控制机制外，还有中断屏蔽、顺序锁(seqlock)、RCU(Read-Copy-Update)等等，做个简单总结如下图：
阻塞控制
阻塞与非阻塞是设备访问的两种方式。在写阻塞与非阻塞的驱动程序时，经常用到等待队列。
阻塞与非阻塞
阻塞调用是指调用结果返回之前，当前线程会被挂起，函数只有在得到结果之后才会返回。
非阻塞指不能立刻得到结果之前，该函数不会阻塞当前进程，而会立刻返回。
对象是否处于阻塞模式和函数是不是阻塞调用有很强的相关性，但并不是一一对应的。阻塞对象上可以有非阻塞的调用方式，我们可以通过一定的API去轮询状态，在适当的时候调用阻塞函数，就可以避免阻塞。而对于非阻塞对象，调用的函数也可以进入阻塞调用。函数select()就是这样一个例子。
等待队列
在linux设备驱动程序中，阻塞进程可以使用等待队列来实现。
在内核中，等待队列是有很多用处的，尤其是在中断处理，进程同步，定时等场合，可以使用等待队列实现阻塞进程的唤醒。它以队列为基础数据结构，与进程调度机制紧密结合，能够用于实现内核中的异步事件通知机制，同步对系统资源的访问。
- 等待队列的实现：
在linux中，等待队列的结构如下：
struct __wait_queue_head {
spinlock_t lock; //自旋锁，用来对task_list链表起保护作用，实现了对等待队列的互斥访问
struct list_head task_list; //用来存放等待的进程
};
typedef struct __wait_queue_head wait_queue_head_t;
- 等待队列的使用
- 定义和初始化等待队列：
wait_queue_head_t wait；//定义等待队列
init_waitqueue_head(&wait);//初始化等待队列
定义并初始化等待队列：
#define DECLARE_WAIT_QUEUE_HEAD(name) wait_queue_head_t name = __WAIT_QUEUE_HEAD_INITIALIZER(name)
- 添加或移除等待队列：
void add_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait)；//将等待队列元素wait添加到等待队列头q所指向的等待队列链表中。
void remove_wait_queue(wait_queue_head_t *q, wait_queue_t *wait);
- 等待事件：
wait_event(wq, condition)；//在等待队列中睡眠直到condition为真。
wait_event_timeout(wq, condition, timeout)；
wait_event_interruptible(wq, condition) ；
wait_event_interruptible_timeout(wq, condition, timeout) ；
/*
* queue:作为等待队列头的等待队列被唤醒
* conditon：必须满足，否则阻塞
* timeout和conditon相比，有更高优先级
*/
- 睡眠：
sleep_on(wait_queue_head_t *q);
interruptible_sleep_on(wait_queue_head_t *q);
/*
sleep_on作用是把目前进程的状态置成TASK_UNINTERRUPTIBLE,直到资源可用，q引导的等待队列被唤醒。
interruptible_sleep_on作用是一样的， 只不过它把进程状态置为TASK_INTERRUPTIBLE
*/
- 唤醒等待队列：
//可唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE和TASK_UNINTERRUPTIBLE状态的进程；
#define wake_up(x) __wake_up(x, TASK_NORMAL, 1, NULL)
//只能唤醒处于TASK_INTERRUPTIBLE状态的进程
#define wake_up_interruptible(x) __wake_up(x, TASK_INTERRUPTIBLE, 1, NULL)
- 操作系统中睡眠、阻塞、挂起的区别形象解释
首先这些术语都是对于线程来说的。对线程的控制就好比你控制了一个雇工为你干活。你对雇工的控制是通过编程来实现的。
挂起线程的意思就是你对主动对雇工说：“你睡觉去吧，用着你的时候我主动去叫你，然后接着干活”。
使线程睡眠的意思就是你主动对雇工说：“你睡觉去吧，某时某刻过来报到，然后接着干活”。
线程阻塞的意思就是，你突然发现，你的雇工不知道在什么时候没经过你允许，自己睡觉呢，但是你不能怪雇工，肯定你这个雇主没注意，本来你让雇工扫地，结果扫帚被偷了或被邻居家借去了，你又没让雇工继续干别的活，他就只好睡觉了。至于扫帚回来后，雇工会不会知道，会不会继续干活，你不用担心，雇工一旦发现扫帚回来了，他就会自己去干活的。因为雇工受过良好的培训。这个培训机构就是操作系统。 - 阻塞与非阻塞操作
阻塞操作是指在执行设备操作时若不能获得资源则挂起进程，直到满足可操作的条件后在进行操作。
非阻塞操作的进程在不能进行设备操作时并不挂起，它或者被放弃，或者不停的查询，直到可以进行操作为止。
回顾简单字符设备驱动, 我们看到如何实现 read 和 write 方法. 在此, 但是, 我们跳过了一个重要的问题:一个驱动当它无法立刻满足请求应当如何响应? 一个对 read 的调用可能当没有数据时到来, 而以后会期待更多的数据. 或者一个进程可能试图写, 但是你的设备没有准备好接受数据, 因为你的输出缓冲满了. 调用进程往往不关心这种问题; 程序员只希望调用 read 或 write 并且使调用返回, 在必要的工作已完成后. 这样, 在这样的情形中, 你的驱动应当(缺省地)阻塞进程, 使它进入睡眠直到请求可继续。
在我们看全功能的 read 和 write 方法的实现之前, 我们触及的最后一点是决定何时使进程睡眠.
- 阻塞型驱动中，read实现方式：如果一个进程调用 read 但是没有数据可用, 这个进程必须阻塞. 这个进程在有数据达到时被立刻唤醒, 并且那个数据被返回给调用者, 即便小于在给方法的 count 参数中请求的数量.
- 阻塞型驱动中，write实现方式：如果一个进程调用 write 并且在缓冲中没有空间, 这个进程必须阻塞, 并且它必须在一个与用作 read 的不同的等待队列中. 当一些数据被写入硬件设备, 并且在输出缓冲中的空间变空闲, 这个进程被唤醒并且写调用成功, 尽管数据可能只被部分写入如果在缓冲只没有空间给被请求的 count 字节.
- 有时要求一个操作不阻塞, 即便它不能完全地进行下去.应用程序元可以调用 filp->f_flags 中的 O_NONBLOCK 标志来人为的设置读写操作为非阻塞方式. 这个标志定义于
, 被 自动包含.
- 阻塞型驱动测试程序：
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
wait_queue_head_t inq;
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while,中断信号唤醒 */
{
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;
wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
}
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = true; /* 有新的数据可读 */
/* 唤醒读进程 */
wake_up(&(dev->inq));
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
/*初始化等待队列*/
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
#include
int main()
{
FILE *fp = NULL;
char Buf[128];
/*打开设备文件*/
fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp == NULL)
{
printf("Open Dev memdev0 Error!\n");
return -1;
}
/*写入设备*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("Write BUF: %s\n",Buf);
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);
sleep(5);
fclose(fp);
return 0;
}
#include
int main()
{
FILE *fp = NULL;
char Buf[128];
/*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*打开设备文件*/
fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp == NULL)
{
printf("Open memdev0 Error!\n");
return -1;
}
/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("Read BUF1: %s\n",Buf);
/*读出数据*/
fread(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);
/*检测结果*/
printf("Read BUF2: %s\n",Buf);
fclose(fp);
return 0;
}
select
select()系统调用：
用于多路监控，当没有一个文件满足要求时，select将阻塞调用进程。
- select()原型：
int select(int maxfdp,fd_set *readfds,fd_set *writefds,fd_set *exceptfds,const struct timeval *timeout);
/*
*@maxfd : 需要检查的文件描述符个数，数值应该比是三组fd_set中最大数更大(即一般取所有文件描述符的最大值加1)，而不是实际文件描述符的总数。
*@readfds: 用来检查可读性的一组文件描述符。
*@writesfds: 用来检查可写性的一组文件描述符。
*@exceptsfds:用来检查意外状态的文件描述符。(注：错误并不是意外状态)
*@timeout:NULL指针代表无限等待，否则是指向timeval结构的指针，代表最长等待时间。(如果其中tv_sec和tv_usec都等于0, 则文件描述符的状态不被影响，但函数并不挂起)
返回值：
（1）正常情况下返回满足要求的文件描述符个数；
（2）经过了timeout等待后仍无文件满足要求，返回0；
（3）如果select被某个信号中断，将返回-1并设置errno为EINTR；
（4）若出错，返回-1并设置相应的errno；
- select的使用方法：
- 将要监控的文件添加到文件描述符集；
- 调用select开始监控；
- 判断文件是否发生变化；
- 系统提供四个宏对描述符集进行操作：
void FD_SET(int fd, fd_set *fdset); //将文件描述符fd添加到文件描述符集fdset中；
void FD_CLR(int fd, fd_set *fdset); //从文件描述符集fdset中清除文件描述符fd；
void FD_ISSET(int fd, fd_set *fdset); //在调用select后使用FD_ISSET来检测文件描述符集中的文件fd发生了变化
void FD_ZERO(fd_set *fdset);//清空文件描述符集
Poll方法：
- poll函数原型：
unsigned int(*poll)(struct file *filp, struct poll_table *wait);
//第一个参数为file结构体指针，第二个参数为轮询表指针。
这个函数应该进行以下两项工作:
- 对可能引起设备文件状态变化的等待队列调用poll_wait()函数，将对应等待队列添加到poll_table中；
- 返回表示是否能对设备进行无阻塞可读或可写访问的掩码；
位掩码：POLLRDNORM， POLLIN，POLLOUT，POLLWRNORM
设备可读，通常返回：(POLLIN | POLLRDNORM)
设备可写，通常返回：(POLLOUT | POLLWRNORM)
调用过程：
Linux下select调用的过程:
- 用户层应用程序调用select(),底层调用poll())
- 核心层调用sys_select() ------> do_select()
最终调用文件描述符fd对应的struct file类型变量的struct file_operations *f_op的poll函数。
poll指向的函数返回当前可否读写的信息。
- 如果当前可读写，返回读写信息。
- 如果当前不可读写，则阻塞进程，并等待驱动程序唤醒，重新调用poll函数，或超时返回。
- 驱动需要实现poll函数。
当驱动发现有数据可以读写时，通知核心层，核心层重新调用poll指向的函数查询信息。
poll_wait(filp,&wait_q,wait) // 此处将当前进程加入到等待队列中，但并不阻塞在中断中使用wake_up_interruptible(&wait_q)唤醒等待队列。
实例分析：
/*mem设备描述结构体*/
struct mem_dev
{
char *data;
unsigned long size;
wait_queue_head_t inq;
};
#endif /* _MEMDEV_H_ */
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include "memdev.h"
static mem_major = MEMDEV_MAJOR;
bool have_data = false; /*表明设备有足够数据可供读*/
module_param(mem_major, int, S_IRUGO);
struct mem_dev *mem_devp; /*设备结构体指针*/
struct cdev cdev;
/*文件打开函数*/
int mem_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
struct mem_dev *dev;
/*获取次设备号*/
int num = MINOR(inode->i_rdev);
if (num >= MEMDEV_NR_DEVS)
return -ENODEV;
dev = &mem_devp[num];
/*将设备描述结构指针赋值给文件私有数据指针*/
filp->private_data = dev;
return 0;
}
/*文件释放函数*/
int mem_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
return 0;
}
/*读函数*/
static ssize_t mem_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*判断读位置是否有效*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
while (!have_data) /* 没有数据可读，考虑为什么不用if，而用while */
{
if (filp->f_flags & O_NONBLOCK)
return -EAGAIN;
wait_event_interruptible(dev->inq,have_data);
}
/*读数据到用户空间*/
if (copy_to_user(buf, (void*)(dev->data + p), count))
{
ret = - EFAULT;
}
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "read %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = false; /* 表明不再有数据可读 */
/* 唤醒写进程 */
return ret;
}
/*写函数*/
static ssize_t mem_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t size, loff_t *ppos)
{
unsigned long p = *ppos;
unsigned int count = size;
int ret = 0;
struct mem_dev *dev = filp->private_data; /*获得设备结构体指针*/
/*分析和获取有效的写长度*/
if (p >= MEMDEV_SIZE)
return 0;
if (count > MEMDEV_SIZE - p)
count = MEMDEV_SIZE - p;
/*从用户空间写入数据*/
if (copy_from_user(dev->data + p, buf, count))
ret = - EFAULT;
else
{
*ppos += count;
ret = count;
printk(KERN_INFO "written %d bytes(s) from %d\n", count, p);
}
have_data = true; /* 有新的数据可读 */
/* 唤醒读进程 */
wake_up(&(dev->inq));
return ret;
}
/* seek文件定位函数 */
static loff_t mem_llseek(struct file *filp, loff_t offset, int whence)
{
loff_t newpos;
switch(whence) {
case 0: /* SEEK_SET */
newpos = offset;
break;
case 1: /* SEEK_CUR */
newpos = filp->f_pos + offset;
break;
case 2: /* SEEK_END */
newpos = MEMDEV_SIZE -1 + offset;
break;
default: /* can't happen */
return -EINVAL;
}
if ((newpos<0) || (newpos>MEMDEV_SIZE))
return -EINVAL;
filp->f_pos = newpos;
return newpos;
}
unsigned int mem_poll(struct file *filp, poll_table *wait)
{
struct mem_dev *dev = filp->private_data;
unsigned int mask = 0;
/*将等待队列添加到poll_table */
poll_wait(filp, &dev->inq, wait);
if (have_data) mask |= POLLIN | POLLRDNORM; /* readable */
return mask;
}
/*文件操作结构体*/
static const struct file_operations mem_fops =
{
.owner = THIS_MODULE,
.llseek = mem_llseek,
.read = mem_read,
.write = mem_write,
.open = mem_open,
.release = mem_release,
.poll = mem_poll,
};
/*设备驱动模块加载函数*/
static int memdev_init(void)
{
int result;
int i;
dev_t devno = MKDEV(mem_major, 0);
/* 静态申请设备号*/
if (mem_major)
result = register_chrdev_region(devno, 2, "memdev");
else /* 动态分配设备号 */
{
result = alloc_chrdev_region(&devno, 0, 2, "memdev");
mem_major = MAJOR(devno);
}
if (result < 0)
return result;
/*初始化cdev结构*/
cdev_init(&cdev, &mem_fops);
cdev.owner = THIS_MODULE;
cdev.ops = &mem_fops;
/* 注册字符设备 */
cdev_add(&cdev, MKDEV(mem_major, 0), MEMDEV_NR_DEVS);
/* 为设备描述结构分配内存*/
mem_devp = kmalloc(MEMDEV_NR_DEVS * sizeof(struct mem_dev), GFP_KERNEL);
if (!mem_devp) /*申请失败*/
{
result = - ENOMEM;
goto fail_malloc;
}
memset(mem_devp, 0, sizeof(struct mem_dev));
/*为设备分配内存*/
for (i=0; i < MEMDEV_NR_DEVS; i++)
{
mem_devp[i].size = MEMDEV_SIZE;
mem_devp[i].data = kmalloc(MEMDEV_SIZE, GFP_KERNEL);
memset(mem_devp[i].data, 0, MEMDEV_SIZE);
/*初始化等待队列*/
init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].inq));
//init_waitqueue_head(&(mem_devp[i].outq));
}
return 0;
fail_malloc:
unregister_chrdev_region(devno, 1);
return result;
}
/*模块卸载函数*/
static void memdev_exit(void)
{
cdev_del(&cdev); /*注销设备*/
kfree(mem_devp); /*释放设备结构体内存*/
unregister_chrdev_region(MKDEV(mem_major, 0), 2); /*释放设备号*/
}
MODULE_AUTHOR("David Xie");
MODULE_LICENSE("GPL");
module_init(memdev_init);
module_exit(memdev_exit);
#include
int main()
{
FILE *fp = NULL;
char Buf[128];
/*打开设备文件*/
fp = fopen("/dev/memdev0","r+");
if (fp == NULL)
{
printf("Open Dev memdev Error!\n");
return -1;
}
/*写入设备*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("Write BUF: %s\n",Buf);
fwrite(Buf, sizeof(Buf), 1, fp);
sleep(5);
fclose(fp);
return 0;
}
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
#include
int main()
{
int fd;
fd_set rds;
int ret;
char Buf[128];
/*初始化Buf*/
strcpy(Buf,"memdev is char dev!");
printf("BUF: %s\n",Buf);
/*打开设备文件*/
fd = open("/dev/memdev0",O_RDWR);
FD_ZERO(&rds);
FD_SET(fd, &rds);
/*清除Buf*/
strcpy(Buf,"Buf is NULL!");
printf("Read BUF1: %s\n",Buf);
ret = select(fd + 1, &rds, NULL, NULL, NULL);
if (ret < 0)
{
printf("select error!\n");
exit(1);
}
if (FD_ISSET(fd, &rds))
read(fd, Buf, sizeof(Buf));
/*检测结果*/
printf("Read BUF2: %s\n",Buf);
close(fd);
return 0;
}
转载自： https://www.cnblogs.com/geneil/category/339063.html